项目二任务4 振动报警器电路设计与制作（课件）- 《传感器与检测技术（第2版）》同步教学（北京理工版）

CONTENTS 项目二 力和压力的检测 任务4 振动报警电路的设计与制作 1 CONTENTS 1.了解常见的压电材料及特性 2.掌握压电传感器测量原理 3.了解压电式传感器测量电路 4.会应用压电式传感器 目标要求 2 一、任务提出 利用压电振动传感器设计报警电路，当感受到振动时，报警电路启动，发出声音报警。 想一想：如何实现？ 3 一、任务分析 信号检测 电路 信号处理 电路 报警 电路 关键问题：如何检测振动 4 1、压电式传感器 压电式传感器是受压产生电信号的一类传感器。 有源传感器 它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。 三、知识链接 5 电信号 压力 压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 6 1）压电效应 某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。 当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。 相反, 当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应） 7 2）压电材料 （1）石英晶体； （2）压电陶瓷； （3）高分子压电材料。 8 （1）石英晶体 天然形成的石英晶体外形 9 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。天然石英晶体的外形为规则的六角棱柱体。 从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。 天然石英晶体外形 10 石英晶体有哪三个轴分别起什么作用？ x轴，y轴，z轴。 11 纵向轴 z 称为光轴, 经过六面体棱线并垂直于光轴的 x 轴称为电轴, 与 x 和 z 轴同时垂直的轴 y 称为机械轴。 当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。 12 石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象,而受力后破坏了平衡,就带电了。 为什么会有压电效应？ 13 压力大小和电荷多少是什么关系？ 石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示 产生的电荷为： 14 石英晶体薄片 15 16 （2）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 压电陶瓷的实现原理？ 压电陶瓷的主要材料？ 17 18 压电陶瓷及其换能器外形 19 用万用表测一测压电元件的电压： 20 （3）高分子压电材料 高分子压电材料是一种新兴的压电材料,有聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯...目前用的最多的是做成薄膜状的聚偏二氟乙烯材料，当薄膜受外力作用时，剩余极化强度改变，薄膜呈现出压电效应. 21 玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。 粘贴位置 22 2、压电式传感器的等效电路 压电传感器也可以等效为电容器相并联一个电荷源。 压电传感器可以等效为一个电压源和一个电容串联等效电路 电荷源 电压源 由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态测量。 23 3、压电式传感器的测量电路 压电传感器的输出可以是电压信号, 也可以是电荷信号,因此前置放大器也有两种形式: 电压放大器和电荷放大器。 实现什么作用？ 把压电传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗; 放大传感器输出的微弱信号。 24 电压放大器 实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。 Ca传感器的固有电容 Ci 前置放大器输入